机器学习技术与应用 课件 第7课 智能飞行器

智能机器人技术与应用“十四五”职业教育人工智能技术应用专业系列教材第7课智能飞行器231知识目标（1）熟悉无人驾驶飞行器的发展历程，熟悉无人机的应用场景。（2）了解无人机的基本构造机器工作原理。（3）了解无人机的关键技术。能力目标（1）掌握专业知识的学习方法，培养阅读、思考与研究的能力。（2）积极参与“研究性学习小组”活动，提高组织和活动能力，具备团队精神。素质目标（1）热爱学习，掌握学习方法，提高学习能力。（2）热爱读书，善于分析，勤于思考，培养关心技术新亮点、技术进步的优良品质。（3）体验、积累和提高“大国工匠”的专业素质。学习目标

愿景

体验

创意

实践重点难点（1）无人机的应用场景与基本种类。（2）无人机的构造与工作原理。目录无人驾驶飞行器01无人机的种类02无人机的构造03无人机工作原理04无人机关键技术05第7课智能飞行器无人驾驶飞机，简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人

飞艇、无人伞翼机这几大

类。图7-4智能飞行器（无人机）无人驾驶飞行器0101

无人驾驶飞行器无人机在通信、气象、灾害检测、农业、地质、交通、广播电视等方面都有广泛的应用，目前其技术已趋成熟，性能日益完善，逐步向小型化、智能化、隐身化方向发展。同时，与无人机相关的雷达、探测、测控、传输、材料等方面的技术也处于飞速发展的阶段。无人机也可分为仿昆虫无人机、四轴飞行器、微型飞行器等。其中微型飞行器是指尺寸只有手掌大小（约15cm）的飞行器，它的研制是一项包含了多

种交又学科的高、精、尖技术，其研究水平在一定程度上

可以反映一个国家在微电机系统技术领域内的实力。微型

飞行器的研制还能对其他许多相关技术领域的发展起推动

作用。

图7-5微型飞行器01

无人驾驶飞行器从诞生至今，无人机的发展历程已经走过了一个世纪，但无人机真正走进我们的生活，在娱乐、环保、交通等领域大展身手，还是最近十多年的事。战场上初露锋芒现代战争中代替侦察兵百年前先驱探索新科技助力指令控制民用无人机迅猛发展01

无人驾驶飞行器01

无人驾驶飞行器7.1.1百年前先驱探索19世纪，无线电的发现和运用给人们远距离控制机器的运行创造了可能。1898年，物理学家特斯拉向人们展示了通过无线电遥控一条模型船的航行，从而首次实现了遥控技术的应用。当飞机被人们发明出来并在第一次世界大战中得到应用后，发明家们开始尝试将遥控技术与飞机结合，制成一种无须飞行员亲自驾驶的飞机。01

无人驾驶飞行器1909年，美国工程师发明了一种名叫“陀螺仪”的装置（见图7-6），可以测定飞机的飞行方向及机身正以什么样的姿势在空中飞行。这种装置是现代飞机自动控制和惯性导航系统的核心组成部分。这种装置出现后，美国海军很感兴趣，希望以此为基础，研究一种不需要飞行员驾驶的飞行器。当时，美国海军将其称之为“飞行鱼雷”（见图7-7）。为了提高飞行鱼雷的导航精度，美国西部电器公司还为它开发了专用的无线电导航系统。飞行鱼雷是无人机最早的雏形之一，而惯性导航与无线电控制技术，至今仍然是遥控无人机的核心技术。01

无人驾驶飞行器图7-6陀螺仪图7-7飞行鱼雷01

无人驾驶飞行器1914年，当时第一次世界大战正进行得如火如荼，英国的卡德尔和皮切尔两位将军，向英国军事航空学会提出了一项建议：研制一种用无线电操纵的小型飞机，使它能够飞到敌方某一目标区上空，将事先装在小飞机上的炸弹投下去。这种大胆的设想立即得到当时英国军事航空学会理事长戴·亨德森爵士赏识。他指定由A·M·洛教授率领一班人马进行研制。最初的研制是在一个名叫布鲁克兰兹的地方进行的。为了保密，该计划被命名为“AT计划”。经过多次试验，研制小组首先研制出一台无线电遥控装置。飞机设计师杰佛里·德哈维兰设计出

一架木制结构的小型上单翼机，通过安装在卡车上的弹射装置起飞。研制小组把无

线电遥控装置安装到这架小飞机上，希望可以通过遥控的方式，让飞机平稳飞行一

段时间。01

无人驾驶飞行器1917年3月，在第一次世界大战临近结束之际，世界上第一架无人驾驶飞机在英国皇家飞行训练学校进行了第一次飞行试验。但在实际的飞行表演中，飞机刚刚起飞就失控了，仅仅飞行了一小段距离便坠落到了地上。不久，小组又研制出第二架无人机进行试验。飞机在无线电的操纵下平稳地飞行了一段时间。就在大家兴高采烈地庆祝试验成功的时候，飞机发动机突然熄火了，失去动力的无人机一头栽入人群。虽然试验遭遇

失败，但由于飞机在飞行过程中的确响应了通过无线

电发出的控制信号，因此这次试飞仍然被

视为是无人机技术的发端。

图7-8世界上第一架无人驾驶飞机01

无人驾驶飞行器“AT计划”失败之后，A·M·洛教授并没有灰心，继续进行着无人机的研制。10年后他终于取得成功。1927年，由他参与研制的“喉”式单翼无人机在英国海军“堡垒”号军舰上成功地进行了试飞。该机载有113公斤炸弹，以每小时322公里的速度飞行了480公里。“喉”式无人机的问世在当时的世界上曾引起极大的轰动。01

无人驾驶飞行器7.1.2战场上初露锋芒在飞行员的实弹训练中，需要像士兵打靶一样，实际演练攻击天空中的靶机，来提升自己的作战技能，地面高炮防空部队也需要用靶机来进行训练。在两次世界大战期间，美国、英国和德国都开始了将无人机作为靶机的尝试。美国军方还发

现，无人机可以方便快捷地在战场上传递信息，代替

当时还广泛使用的传令兵，于是，在“飞行鱼雷”的

基础上研发了“信使”无人机。

图7-9二战期间英国使用的无人靶机01

无人驾驶飞行器1941年美国海军萌生了使用无人机攻击敌人空中和地上目标的想法，研发了TDN-1和TDR-1型无人攻击机。1944年9月至10月间，这两种无人机在太平洋战争中小试牛刀，攻击了日军的堡垒和火炮阵地等目标，取得了一定的战果。在第二次世界大战中，美国陆军航空队曾大量使用无人靶机，还在太平洋战场上使用携带重型炸弹的活塞式发动机无人机对日军目标进行轰炸。战争期间，美军还曾打算将报废的B-17和B-24轰炸机改装成携带炸弹的遥控轰炸机。驾驶员先驾驶这种遥控轰炸机至海边，然后跳伞脱身，

遥控轰炸机则在无线电的遥控下继续飞行，直至对目标进

行攻击。可惜由于所需经费巨大，再加上操纵技术过于复

杂，美军最终还是放弃了这一研制计划。01

无人驾驶飞行器第二次世界大战结束后，无人机开始投入战场侦察工作。世界上第一种实用型的无人侦察机是无线电控制的美国AN/USD-1战场无人监视机。这种飞机装备有一台可以在白天工作的光学照相机和一台在夜间工作的红外照相机，通过火箭助推器起飞，完成任务后释放降落伞降落。但它拍摄收集到的照片还需要进行复杂耗时的处理和分析工作。在冷战和越南战争期间，美军发现无人机除了照相外，还可以执行另一种形式的搜索任务。无人机飞临敌人控制的空域后，可以诱骗敌人的防空雷达开机，获得其信号特征。敌人的高炮、

防空导弹、战斗机在拦截无人机的过程中，也会将自身的部署情况暴露。越南战争

期间，美军在战场上大量使用“火蜂”型无人侦察机执行这方面的工作，在此期间

还催生了直升机在半空回收无人机的技术。01

无人驾驶飞行器第二次世界大战结束后，随着航空技术的飞速发展，无人机家族逐渐步入鼎盛时期。时至今日，世界上研制生产的各类无人机已达上百种。随着计算机技术、自动驾驶技术和遥控遥测技术的发展及其在无人机中的应用，以及随着对无人机战术的深入研究，无人机在军事方面的应用日益广泛。01

无人驾驶飞行器7.1.3新科技助力指令控制进入上世纪80年代后，电子工业和航空工业的发展为无人机发展带来了新的契机。此时，军用无人机的飞行控制技术出现了两大分支，即自动飞行控制系统和指令控制系统。自动飞行控制系统需要在无人机起飞前将本次飞行的路径、高度和侦察目标等信息设定好，无人机依靠这些信息自己完成飞行任务。这种模式虽然看起来简单，但一旦目标位置出现变化，提前设定的飞行路线就得不到所需要的信息了。而指令控制模式将飞行员的位置由飞机搬到了

地面站的控制室中。得益于视频图像技术的发展，无人机可以通过无线电信号实时

将侦察图像信息传回控制室，控制员根据瞬息万变的战场形势画面实时操控无人机

飞行。如今，指令控制技术逐渐成为军用无人机飞行控制系统的主流。01

无人驾驶飞行器此外，卫星通信技术和GPS导航技术也给指令控制技术的应用带来了帮助。在应用卫星通信前，无人机的飞行距离受到控制信号传输和山川阻挡等因素的限制。应用卫星通信技术后，地面控制站可以将控制信号上传至太空中的通信卫星，由卫星中继放大后发送到无人机接收天线上，从而突破了地面障碍物和地平线的限制。GPS导航技术可以让控制人员准确获取无人机位置，同时，在控制信号因为干扰中断时，无人机也可以使用GPS导航自主返航回收。01

无人驾驶飞行器7.1.4现代战争中代替侦察兵在上世纪90年代初的海湾战争和21世纪初的伊拉克战争中，无人机得到全方位的应用。两种美军现役的明星无人机——“捕食者”和“全球鹰”也在此期间开始应用。图7-10“捕食者”和“全球鹰”（右）无人机01

无人驾驶飞行器“捕食者”无人机是一种长航时无人机，采用涡轮增压螺旋桨发动机作为动力，最大续航时间60小时，可在目标上空飞行24小时。侦察型的“捕食者”配有光电/红外侦察设备，昼夜都能执行侦察任务。在“捕食者”上还装备有一种被称作“合成孔径雷达”的装备，可以通过发射无线电信号并接收大地或目标反射信号的方式，绘制出目标的高分辨率图像。即便在有云层或雾气遮挡的情况下，这种雷达依旧可以返回与相机照片类似的图像。美军还对“捕食者”进行改进，使它具备使用武器对敌人进行攻击的能力。通过在无人机头部安装用于指引导弹打击目

标的激光指示器，“捕食者”可以发射用来打击坦克、装甲车等目标的“地狱火”

导弹。攻击型“捕食者”的升级版“死神”无人攻击机体积更大、性能更强，能发

射激光制导炸弹等武器。01

无人驾驶飞行器“全球鹰”是一种无人侦察机。和“捕食者”一样，“全球鹰”也具备使用合成孔径雷达等多个频段的侦察设备获取战场信息的能力，可以执行对陆地目标和海上目标的侦察任务。由于使用喷气式发动机作为动力，“全球鹰”比“捕食者”飞行速度更快。但由于“全球鹰”的飞行高度较高，用来执行对地攻击任务并不十分合适。此外，美军还研发了小型化的无人机，如“大乌鸦”和“龙眼”无人机。由于这些无人机体积轻巧、便于携带，基层部队可以在日常巡逻中随身携带，一旦遇到战斗情况，可以就地将无人

机放飞，提供侦察支援，灵活性大大提高，特别适合反恐

作战。01

无人驾驶飞行器7.1.5民用无人机迅猛发展虽然无人机技术的发展源于军事需求，但人们最熟悉的无人机还是那种有着多个旋翼，可以灵活地在空中运动或悬停，进行航拍活动的多旋翼无人机。这种无人机是自21世纪以来迅猛发展的民用无人机的典型代表。图7-11民用多旋翼无人机01

无人驾驶飞行器最常见的四旋翼无人机和直升飞机一样，是通过与机身平行的螺旋桨桨叶产生的升力垂直起飞，既无需机翼，又不用设置跑道来起飞降落，因而体积小巧、使用方便。和单旋翼飞行器相比，多旋翼飞行器的螺旋桨无需设置复杂的机械传动装置，也不需要尾桨来抵消主螺旋桨带来的旋转，因此具备理想的可靠性，还可以将制造成本控制得比较低，让一般消费者能承受。更重要的是，在内部控制程序的配合下，多旋翼无人机的操控相当简单，非专业飞行人员短时间内就能掌握基本的操作方法，像玩电子游戏一样操控无人机的飞行。01

无人驾驶飞行器多旋翼民用无人机能够迅速兴起的另外一个关键设备，是以GoPro为代表的运动相机（见图7-12）。运动相机可以获得比一般相机更加宽广的视野，拍摄高清晰度的照片或视频，体积重量还十分小巧，特别适合安装在无人机上，获得从天空或高处向下的视角。无人机操控手们不但可以在飞行过程中实时享受无人机带来的视觉体验，

拍摄的高清照片、视频等还可以进行丰富的后期处理，

得到更炫酷的视觉效果。在无人机出现之前，进行航

拍需要租用有飞行员驾驶的飞机。在无人机出现后，

个人也可以进行日常的业余航拍活动。图7-12GoPro运动相机01

无人驾驶飞行器进入21世纪后，由于基础技术的发展，民用无人机的各个组成部分性能越来越强、重量越来越轻，成本也越来越低，给无人机的普及创造了条件。无人机搭载高性能FPGA芯片，可以实现双CPU的功能，处理各种传感器传来的无人机状态信息，控制无人机的高效飞行。Wifi技术的发展让手机上网更方便，也给民用无人机的信号传输提供了一种简单有效的实现方式，可以在一定距离内传输控制和影像信号。在续航方面，由于锂电池技术的发展，用一块重量不大的电池就可以让无人机在天空中飞行一段时间。01

无人驾驶飞行器除了四旋翼无人机外，固定翼无人机在民用领域也得到广泛应用。与多旋翼无人机相比，固定翼无人机的续航时间更长，飞行高度更高、活动范围更大，采用更加可靠的控制系统和信号传输系统，因此比四旋翼无人机更适合专业生产领域

的应用。

图7-13固定翼无人机01

无人驾驶飞行器这些年，我们经常能够看到无人机编队表演的新闻报道。成百上千架无人机，在夜色中通过自身携带的彩色灯光设备，组成各种各样的美丽图案，甚至还能随着音乐节奏的变化翩翩起舞。这种奇观的出现，得益于无人机集群技术的发展。实际上，无人机集群技术在军事领域早就得到了发展与应用。2000年，美国国防部的高级计划局就启动了有关研究项目，研究多架无人机在空中协同发现目标的技术。经过近二十年的发展，无人

机集群技术已经日臻成熟。在执行任务的过程中，集群中

的无人机要组织好自己的队形，避免发生碰撞。同时，无

人机之间还要分享所处位置态势的感知，一架无人机所观

察到的情况可以被所有无人机掌握。这样，大量无人机可

以在单一操作员的指挥下，完成一架无人机所不可能完成

的各种任务。图7-14无人机集群技术无人机的种类0202

无人机的种类无人机体积小，隐蔽性好，生存能力强。无人机的长度基本在10米以内，重量大多在1~2吨之间。因此，无人机在空中活动十分轻捷自如，各种探测器材很难发现它的行踪。此外，无人机使用简便，适应性好，既可以近距离滑跑升空，也可以直接发射升空；既可以在公路上起飞，也可以在海滩、沙漠上起飞。无人机回收也很方便，可以用降落伞和拦阻网回收，也可以利用起落架、滑橇、机腹着陆，或者像直升机一样进行垂直起降。此外，无人机能适应各种环境，可以毫无顾忌地进出核生化武器的沾染区，并可以在各种复杂气象条件下连续飞行。测绘与航拍无人机通信中继无人机智能军用无人机长时留空与预警无人机01

无人机的种类02

无人机的种类7.2.1测绘与航拍无人机无人机作为一种新型遥感监测平台，飞行操作智能化程度高，可按预定航线自主飞行、摄像，实时提供遥感监测数据和低空视频监控，具有机动性强、便捷、成本低等特点，其所获取的高分辨率遥感数据在海域动态监管、海洋环境监测、资源保护等工作中用途广泛。航拍无人机是集成了高清摄影摄像装置的遥控飞行器，系统主要包括：载机、飞控、陀螺云台、视频传输、地面站以及通话系统等，航拍无人机飞行

高度一般在500米以上，适合影视宣传片

以及鸟瞰图的拍摄等。这种飞行器灵活方

便，能快速的完成镜头的拍摄。

图7-15测绘无人机02

无人机的种类7.2.2通信中继无人机C波段是频率从4.0-8.0GHz的一段分配给通信卫星的频带，用于通信卫星下行传输信号。该频段在卫星电视广播和各类小型卫星地面站应用中一直被广泛使用。美国的“先锋”式无人机装有抗干扰扩频通信设备、大功率固态放大器、全向甚高频和超高频无线电台中继设备等，可在C波段进行数据、信号、话音和图像通信，

通信距离为185公里。

图7-16无人机作为移动节点02

无人机的种类7.2.3长时留空与预警无人机微波动力飞机不带燃料，只有一台直流电动机和微波接受整流装置。起飞时由蓄电池为电动机供电，待升高到100米后，电池关闭，地面上的微波发生器通过锅形天线发射微波，飞机上的特殊薄膜天线把接受到的微波变成直流电，驱动由电动机带动的飞机螺旋桨，这样飞机就靠微波作动力飞行了。图7-17微波动力飞机02

无人机的种类这种飞机的飞行高度与地面微波的功率有关，例如使用波长为10厘米和3.8厘米微波，功率为几百千瓦，足够飞机在9000多米高度使用；如果将两个或多个这样的发生器合并起来，便可供飞机在1.5万米以上的高空飞行使用。但发射微波的天线很大，直径达60多米。微波动力飞机在空中飞行时可不受燃料的限制，可用来进行农业监测、天气预报等，还可以装上雷达和通信设备，作为广播、电视、通信的天上中转站。加拿大、美国都已试制出较大型的微波动力飞机，但地面发射天线太大，不容易转动，一般只能作为垂直飞行及悬停的直升机。为对目标进行长时间监视，弥补无人侦察机留空时间短、对同一目标反复侦察时所

需航次多等不足，长时间留空无人机便应运而生。如美国洛克希德公司的微波动力

无人机，可在高空飞行60天以上，甚至有长时间留空无人机最大续航时间可达1年，

可对目标进行连续不断的监视。02

无人机的种类与载人预警机相比，预警无人机的经济性好、费效比低且生存能力强。预警无人机与载人预警机一样，集预警、指挥、控制和通信功能干一身，可起到活动雷达站和空中指挥中心的作用。平时可用来进行空中值勤，监视敌方行动，战时可加大预警距离，扩大己方的拦截线并且可以通过它统一控制战区内的所有防空武器，有效指挥三军作战。预警无人机既可单独作用，又可与载人预警机配合使用。单独使用时，预警无人机利用下行数据传输线，将所获得的情报信息传到地面指挥控制中心。配合使用时，预警无人机率先部署在200～300公里外，将所获得的

情报发送给载人预警机，以此扩大预警范围，避免载人预警机穿行于危险区域。美

国格鲁门公司研制的D754就是一种典型的预警无人机。该机装有新型机载共形相

控阵雷达，能够在复杂电子环境中探测和识别像巡航导弹这样的低空飞行目标。此

外，机上还装有红外等多种传感器。02

无人机的种类7.2.4智能军用无人机为使无人机真正成为“空中士兵”，国外正在积极发展智能无人机。如英国塞肯公司的“塞肯”观察与攻击自动飞行器，可在空中监视目标的同时自动判断目标的军事价值。当它认为目标值得攻击时，就自动调整飞行状态，精确地向目标发起俯冲攻击。（1）反导弹无人机。为对付日益增多的地对地战术导弹的攻击，国外正积极研制用于拦截导弹的无人机。这种无人机可在距所防卫目标较远处击毁来袭导弹，从而克服“爱国者”、C-300等一类反导弹拦截距离近、反应时间长、拦截成功后的残体仍对目标有一定损害等的作用不足。02

无人机的种类（2）隐身无人机。美国洛克希德公司、马丁公司和波音公司联合研制的世界上第一种隐身无人机――蒂尔-3（绰号“暗星”）。该机外形奇特，机翼硕大，机身扁平，有头无尾。之所以采用这种奇特的外形，主要是为了减小雷达反射截面积，以增强隐身性能。机身的底部涂成黑色，也是基于此种考虑。该机在1.37万高度可巡航8小时，活动半径1800公里，巡航速度每小时240公里。据介绍，该机将装备合成孔径雷达或电光探测设备，在续航8小时时，总监视覆盖面积为4.8万平方千米；在1米分辨率时，

搜索速度为每小时5480公里；能显示0.3米的目标象点；

单机可截获目标600个。该机还具有自主起飞、自动巡航、

脱离和着陆的能力，而且可在飞行中改变自己的飞行程序，

以执行新的任务。图7-18隐身无人机“暗星”02

无人机的种类（3）世界最小无人机。2013年初，驻阿富汗英军部队成为目前世界上最为先进的微型遥控无人侦察机的第一批使用者。这款名为“黑色大黄蜂”的微型无人侦察机的尺寸大约为10cm×2.5cm，看起来像一个儿童玩具，携带方便，并可以在恶劣的战场环境下发挥优良的工作性能。该款无人机装备了一部微型摄像头，可以为地面作战部队提供动态图像或是静态照片等重要的战场情报。士兵可以使用其对街

角、围墙或是其他障碍物进行侦察，以预知这些视

觉死角后方潜在的危险。这些图像资料将会在一部

手持终端机上呈现。

图7-19黑色大黄蜂无人机02

无人机的种类（4）空战无人机。为减少有人驾驶飞机在空战中的损失，用于空对空交战的无人机也正在研究。由于无人机机动时不受飞行员抗过载能力的限制，空战时可进行超常规机动，对导弹等高速攻击武器可进行有效的规避。同时，由于无人机被敌方机载雷达截获的概率低，故在空战中的损失要大大低于有人驾驶飞机。例如，美国研制的高机动空中格斗无人机，在与F-4“鬼怪”式战斗机进行空战格斗试验中，曾成功地躲避开F-4发射的“麻雀”导弹的攻击，并占领了F-4后侧有利的攻击位置。另外，美国还在进行“天眼”无人机携载轻标枪和“针刺”空对空导弹的试验，用于与直升机、攻击机空战。无人机的构造0303

无人机的构造一般而言，各种无人机的结构大同小异，构成基本相同，所具有的不同主要还是体现在品牌特色方面。图7-20固定翼无人机结构示意图03

无人机的构造一般四旋翼无人机的旋翼对称分布在机体的前后、

左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四

个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装

在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计

算机和外部设备，结构形式如右图所示。

图7-21四旋翼飞行器的结构形式03

无人机的构造例如，多旋翼无人机结构组成包括：（1）机架：指多旋翼飞行器的机身架，是整个飞行系统的飞行载体。一般使用高强度重量轻的材料，例如碳纤维、PA66+30GF等材料。（2）电机：由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。在整个飞行系统中，起到提供动力的作用。相当于无人机的发动机。多旋翼无人机的各个“翅膀”处于同一高度，由支架端的电机提供动力。（3）电调：电调全称电子调速器，简称ESC。在整个飞行系统中，电调主要提供驱动电机的指令，来控制电机，完成规定的速度和动作等。相当于无人机的变速箱。03

无人机的构造（4）桨叶：桨叶是通过自身旋转，将电机转动功率转化为动力的装置。在整个飞行系统中，桨叶主要起到提供飞行所需的动能。按材质一般可分为尼龙桨，碳纤维桨和木桨等。相当于汽车的轮胎。（5）电池：电池是将化学能转化成电能的装置。在整个飞行系统中，电池作为能源储备，为整个动力系统和其他电子设备提供电力来源。目前在多旋翼飞行器上，一般采用普通锂聚合物电池或者智能锂聚合物电池等。（6）遥控系统：遥控系统由遥控器和接收机组成，是整个飞行系统的无线控制终端。接收机和遥控器是一一配对的，接收机负责传送遥控器所发出的指令给飞行控制系统。03

无人机的构造此外，无人机还有一些组成构件是十分重要的，包括：（1）导航（例如北斗或者GPS）。我们每当到一个地方，首先要确定自己的位置，无人机也不例外。它配备有一项我们经常使用的导航设备。导航由三部分构成：一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成；二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面；三是用户装置部分，由导航接收机和卫星天线组成。因此，无人机身上需要安装的就是用户装置部分。图7-22无人机GPS03

无人机的构造（2）陀螺仪。是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫做陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。03

无人机的构造陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性:一为定轴性，另一是进动性，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。03

无人机的构造（3）加速度传感器。一般而言，为了让无人机飞得更稳，只有陀螺仪是不够的，还需要加速度传感器的配合。究其原因，这是由每种传感器自身的局限性所决定的。陀螺仪输出的是角速度，要通过积分才能获得角度，但是即使在零输入状态时，陀螺仪仍是有输出的，它的输出是白噪声和慢变随机函数的叠加，受此影响，在积分的过程中，必然会引进累计误差，积分时间越长，误差就越大。这时候，便需要加速度传感器的加入，利用加速度传感器来对陀螺仪进行校正。03

无人机的构造由于加速度传感器可以利用力的分解原理，通过重力加速度在不同轴向上的分量来判断倾角。同时，它没有积分误差，加速度传感器在相对静止的条件下，可以有效校正陀螺仪的误差。但在运动状态下，加速度传感器输出的可信度就要下降，因为它测量的是重力和外力的合力。无人机在应用中比较常见的算法就是利用互补滤波，即结合加速度传感器和陀螺仪的输出，来算出角度变化。03

无人机的构造（4）红外线测距装置。GPS、陀螺仪、加速度计、感应器、视觉感应系统和红外线测距装置等则被放在支架中间。（5）相机。如果想要最佳质量的镜头，则相机的规格需要认真考虑。大多数型号（不包括玩具无人机）现在都配有内置摄像头，但有些则会让允许选择安装自己的摄像头。无人机工作原理0404

无人机工作原理四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。参见图7-20，四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。在下图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。04

无人机工作原理

图7-23四旋翼无人机工作原理ABCD垂直运动俯仰与滚动运动偏航运动前后运动04

无人机工作原理04

无人机工作原理7.4.1垂直运动同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿轴的垂直运

动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等

于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

图7-24无人机垂直运动04

无人机工作原理7.4.2俯仰与滚动运动在图7-23（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降（改变量大小应相等），电机2、电机4的转速保持不变。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。与图7-23（b）的原理相同，在图7-23（c）中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电

机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实

现飞行器的滚转运动。04

无人机工作原理7.4.3偏航运动旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全